电动汽车无刷直流电动机的回馈制动控制
第３９卷第９期２００５年９月
上海交通大学学报
ＪＯＵＲＮＡＩ。ＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｖ０１．３９Ｎｏ．９
Ｓｅｐ．２００５
文章编号：１００６—２４６７（２００５）０９—１４５７—０４
电动汽车无刷直流电动机的回馈制动控制
张
毅１，杨林１，李立明２，卓斌１
（１．上海交通大学机械与动力工程学院，上海２０００３０；２．同济大学电气工程系，上海２００３３１）
摘要：为延长电动汽车的续驶里程，基于４种典型循环工况的能量分析，研究了无刷直流电动机
回馈制动的控制原理，建立了回馈制动的数学模型，并设计了转矩闭环ＰＩ调节的控制方式．将这一控制方式运用于纯电动汽车上，结果表明，回馈制动控制安全可靠．关键词：电动汽车；无刷直流电动机；回馈制动；控制中图分类号：Ｕ
４６３
文献标识码：Ａ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｍａｋｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ（ＥＶ）ｒｕｎｍｏｒｅｄｉｓｔａｎｃｅ，ｂａｓｅｄ
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汽车工业的可持续发展面临能源安全与环境保护的双重压力，世界各国为此正大力发展电动汽车，包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车．
电动汽车采用了新型的汽车动力，如何提高车辆行驶能量效率，进而延长车辆续驶里程，是电动汽车需要解决的一个关键问题．能量回馈制动是解决该问题的主要技术措施．
回馈制动与其他电气制动方式（主要有能耗制动、反接制动［１。）比较，回馈制动无须改变系统硬件结构，回馈电流就可柔性控制，使制动效果与能量回收效果达到综合最佳．因此，回馈制动是最适合电动
收稿日期：２００４—０８—１０
基金项目：国家高新技术研究发展计划（８６３）项目（２００２ＡＡ５０１７００）
汽车的电气制动方式，其关键是回馈制动的过程控制．电动汽车的回馈制动控制由整车控制与电机控制交互作用而实现．本文研究了电动汽车驱动单元无刷直流电动机的回馈制动控制原理、数学模型及控制方式，并将电动机回馈制动技术运用于纯电动汽车上．１
回馈制动的控制原理
电动汽车用途广泛，为了进行其回馈制动控制，
需首先探明其在各种用途中的制动能量回馈潜力．通过美国ＦＴＰ、高速公路ＨＷＦＥＴ、欧洲城市循环
作者简介：张毅（１９７６一），男，广西柳州人。博士生，主要从事电动汽车动力总成控制技术方面的研究．
卓斌（联系人），男，教授，博士生导师，电话（Ｔｅｌ．）：０２１—６４４７２３８８；Ｅ—ｍａｉｌ：Ｚｈｕｏｂｉｎ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
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交通ＥＣＥ—ＥＵＤＣ和日本ＪＰＬ０１５工况分析可以看出，制动能量都占了不小的比例．其中，ＪＰ］０１５工况的制动能量占驱动能量的２５．７％，ＥＣＥ—ＥＵＤＣ工况的制动能量占驱动能量的１８％，ＨＷＦＥＴ工况的制动能量占驱动能量的６％，ＦＴＰ工况的制动能量占驱动能量的２５％．据美国对电动汽车实际运行测试的结果表明，回馈制动给动力蓄电池补充的能量可使电动汽车一次充电后行驶的里程增加１０％～２５％［２］．但实际的回馈能量还与制动方式和回馈系统各环节的效率因子有关．电动汽车的制动方式包括：电气制动、机械制动和两者同时作用的复合制动，其中机械制动只要作用，就必然会导致一部分制动能量以热量的形式散失掉．能量回馈系统各个环节的效率因子主要包括逆变器的效率、电动机的效率和蓄电池的充电效率等．
永磁无刷直流电机的驱动系统由永磁电动机本体、蓄电池、三相逆变器、驱动控制模块（包括换向逻辑及调节器）及转子位置检测等辅助单元组成，其三相桥式电路如图１所示．
图１三相桥式电路
Ｆｉｇ．１
Ｔｈｅｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅｂｒｉｄｇｅｃｉｒｃｕｉｔ
系统中三相逆变器的功率器件采用三相绝缘栅晶体管（ＩＧＢＴ）．图１中Ｔ，～Ｔ。为功率开关器件，Ｄ。～Ｄ。为续流二极管．回馈制动期间，采取两两导通的方式，在三相桥式电路中，每一瞬间将有２个功率管导通，每隔１／６周期（６０。）换相１次，具体换相时刻根据电动机的位置传感器ＨＡＬＬ信号进行判断，每次换相时一个导通的功率管被分断，而另外一个桥臂上原先分断的功率管导通，即桥臂之间进行轮流换相，各功率管的导通顺序为Ｔ。Ｔ。、Ｔ。Ｔ。、Ｔ。Ｔ；、Ｔ。Ｔ。、Ｔ。Ｔ。、Ｔ。Ｔ。、Ｔ。Ｔ２、…，每个功率管导通１２０。，且作ＰＷＭ运行，如图２所示．
回馈制动的控制原理是升压斩波，即在一个ＰＷＭ周期内，如图３所示，当ｔ。一ｆ。时，绕组电感积蓄磁场能量，导致回路电流上升，此时的系统状态称为续流状态；当ｔ，一ｔ。时，定子绕组电感放电，向蓄电池充电，导致回路电流下降，称为充电状态．
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第３９卷
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图２
ＰＷＭ与ＨＡＬＬ信号的对应关系
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２回馈制动的数学模型
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第９期
张毅，等：电动汽车无刷直流电动机的回馈制动控制
升阶段（见图３中ｔ。～ｔ，期间），车辆的动能转化为磁场能储存在绕组电感中，其中有部分能量以热的形式消耗在电动机的绕组阻抗上．
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图５
回馈制动时的充电状态
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方数据由式（２）、（３）、（５）可得：
Ｕｃ＝（￡一Ｍ）ｐｉＡ＋ＲｉＡ＋ｅＡ＋Ｕｏ（６）
ｏ＝（Ｌ—Ｍ）ｐｉＢ＋ＲｉＢ＋ｅＢ＋Ｕｏ
（７）
结合式（６）和（７）可得，充电时直流母线电压为
Ｕｃ一２ｅＡ＋２］－（Ｌ—Ｍ）ｐｉＡ＋ＲｉＡ］
（８）此时逆变器的功率器件Ｔ：、Ｔ。处于分断状态，但由于电动机绕组电感的存在，使得相电流无法突变，因此，电动机的Ａ、Ｂ相电流通过续流二极管Ｄ。、Ｄ。以及蓄电池构成回路（见图５），对蓄电池充电，同时电动机相电流减小（见图３中ｔ，一ｆ。期间），存储在绕组中的磁场能量转化为电能．
３控制方式
一
本文研究的无刷直流电动机的回馈制动控制采用转矩闭环ＰＩ调节，在稳态运行时，使转矩跟随给定转矩参考值变化，实现转矩的无静差．当负载变化时，ＰＩ调节起抗扰作用，调节器一旦饱和，其起饱和非线性的控制作用．调节器的输入量为离散后的转矩给定值丁一，根据电机的转矩系数ＫＴ［“，可得所需的电流值为
１
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（９）
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系统框图如图６所示．图中：丁一为转矩给定值
（Ｎ・ｍ）；ｊ。ｎ为采样的电流反馈值（Ａ）；Ｋｒ为比例调节系数；Ｋ。为积分调节系数；７／’，。为实际输出转矩（Ｎ・ｍ）；ＣＯＭＰ为占空比；７’为系统采样周期；ｋＴ表示第ｋ个采样点的时刻．
图６转矩闭环框架
Ｆｉｇ．６
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由图６可得：
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ＣＯＭＰ（ｋＴ）＝Ｋ，ｅ（ｋＴ）＋Ｋ。∑ｅ（ｋ７’）（１０）
０
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ｋ
Ｋ．∑ｅ（ｋＴ一丁）（１１）
０
由式（１０）和（１１）可得系统输出：
ＣＯＭＰ（志丁）一ＣＯＭＰ（五丁～７１）＋ＫＰＥｅ（ｋ７’）一
Ｐ（志７１—７Ｔ）］＋Ｋ。ｅ（ｋ７１）
（１２）Ｐ（志丁）一Ｔｒｅｆ（ｋＴ）一ＫＴ丁，。（忌丁）
（１３）
实际系统中电动机扭矩ｏ≤丁ｒｅｆ（惫丁）≤１２５
上
海
交通大
学学
报
第３９卷
（Ｎ・ｍ）；占空比调节范围０４ＣＯＭＰ≤６１３；转矩系数ＫＴ＝０．３；比例调节系数ＫＰ一６２．５×１０～；积分调节系数Ｋ．一０．２；采样周期丁一４９０．４弘ｓ．
在实际应用中，对于ＰＩ调节器的输出（即占空比ＣＯＭＰ）应加以滤波，防止ＣＯＭＰ出现比较大的跳跃，这样做的目的主要是一方面防止转矩突变［５］，另一方面可以防止电流尖峰．这对于功率器件的保护是非常重要的．
在低于一定的车速时，由于车辆本身的动能很小，使得电动机无法输出较大的制动扭矩，回馈制动效果非常微弱，故实际系统中需要确定一个回馈制动临界转速，控制系统在车速低于此转速时不予回馈制动．本系统中临界速度为１０ｋｍ／ｈ．
此外，回馈制动过程中，充分考虑到能量回馈对电机系统和整车的电气安全与行驶安全可能造成的各种影响，本文研究的电动机控制软硬件上对回馈充电电压、充电电流均作了边界值限制；若工作期间出现故障状态，控制模块会根据故障的程度设置不同等级的故障码通知整车控制器，以便整车采取故障失效处理．
本文研究的电动机回馈制动技术在上海交通大学与上汽奇瑞汽车有限公司共同承担的国家科技部“８６３”计划研发的曙光纯电动轿车上已经全面实现，图７所示为电动车在行驶过程中回馈制动的电流、电压变化情况．
４
结论
（１）本文研究了无刷直流电动机的回馈制动控制技术，并实际运用于国家科技部“８６３”计划中开发的纯电动轿车上，实践表明，回馈控制技术成功且安全可靠．
（２）回馈制动控制系统在车速低于临界转速时，不予回馈制动，本系统中临界速度为１０ｋｍ／ｈ．参考文献：
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图７电动车回馈制动时的电流、电压变化
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ｏｆＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
（Ｓｃｉｅｎｃｅ）自２００５年第１期起正式定为ＥＩＣｏｍｐｅｎｄｅｘ数据库（核心刊）收录。
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电动汽车无刷直流电动机的回馈制动控制
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
张毅， 杨林， 李立明， 卓斌， ZHANG Yi， YANG Lin， LI Li-ming， ZHUO Bin
张毅,杨林,卓斌,ZHANG Yi,YANG Lin,ZHUO Bin(上海交通大学,机械与动力工程学院,上海,200030) ， 李立明,LI Li-ming(同济大学,电气工程系,上海,200331)上海交通大学学报
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